Równania różniczkowe. Równania różniczkowe zwyczajne rzędun,n 2. Małgorzata Wyrwas. Katedra Matematyki Wydział Informatyki Politechnika Białostocka

Podobne dokumenty
Równania różniczkowe zwyczajne

5 Równania różniczkowe zwyczajne rzędu drugiego

Równania różniczkowe. Równania różniczkowe zwyczajne rzędu pierwszego. Małgorzata Wyrwas

1 Równania różniczkowe zwyczajne

Matematyka 2. Równania różniczkowe zwyczajne rzędu drugiego

Wykład 14 i 15. Równania różniczkowe. Równanie o zmiennych rozdzielonych. Definicja 1. Równaniem różniczkowym zwyczajnym rzędu n nazywamy równanie

Równania różniczkowe liniowe wyższych rzędów o stałych współcz

5. Równania różniczkowe zwyczajne pierwszego rzędu

Biotechnologia, Chemia, Chemia Budowlana - Wydział Chemiczny - 1

Równania różniczkowe. Analiza Matematyczna. Aleksander Denisiuk

Układy równań i równania wyższych rzędów

Wykład 3 Równania rózniczkowe cd

ANALIZA MATEMATYCZNA Z ELEMENTAMI STATYSTYKI MATEMATYCZNEJ

Równania różniczkowe zwyczajne. 1 Rozwiązywanie równań różniczkowych pierwszego rzędu

1 Równania różniczkowe drugiego rzędu

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 2

2. Kombinacja liniowa rozwiązań zeruje się w pewnym punkcie wtedy i tylko wtedy, gdy zeruje się w każdym punkcie.

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 5

Równania różniczkowe wyższych rzędów

Równania różniczkowe wyższych rzędów

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE. Wiele obiektywnych prawidłowości przyrodniczych udaje się zapisać w postaci równości formalnej

VI. Równania różniczkowe liniowe wyższych rzędów

III. RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE

Zadania z analizy matematycznej - sem. II Całki nieoznaczone

Równania różniczkowe. Notatki z wykładu.

Analiza matematyczna dla informatyków 3 Zajęcia 14

27. RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE CZĄSTKOWE

Równania różniczkowe liniowe rzędu pierwszego

Liniowe równania ró»niczkowe n tego rz du o staªych wspóªczynnikach

Analiza matematyczna i algebra liniowa Elementy równań różniczkowych

1 Równanie różniczkowe pierwszego rzędu

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 1

Lista zadań nr 2 z Matematyki II

Równania różniczkowe liniowe II rzędu

Definicje i przykłady

ANALIZA MATEMATYCZNA Z ELEMENTAMI STATYSTYKI MATEMATYCZNEJ

1 Równania różniczkowe zwyczajne o rozdzielonych zmiennych

Maciej Grzesiak Instytut Matematyki Politechniki Poznańskiej. Całki nieoznaczone

Rachunek różniczkowy i całkowy 2016/17

Komputerowa analiza zagadnień różniczkowych 1. Równania różniczkowe zwyczajne podstawy teoretyczne. P. F. Góra

Równania różniczkowe zwyczajne pierwszego rzędu, cd

1.1 Przegląd wybranych równań i modeli fizycznych. , u x1 x 2

ELEKTROTECHNIKA Semestr 1 Rok akad / ZADANIA Z MATEMATYKI Zestaw Przedstaw w postaci algebraicznej liczby zespolone: (3 + 2j)(5 2j),

26. RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE DRUGIEGO RZĘDU

y f x 0 f x 0 x x 0 x 0 lim 0 h f x 0 lim x x0 - o ile ta granica właściwa istnieje. f x x2 Definicja pochodnych jednostronnych

Komputerowa analiza zagadnień różniczkowych 1. Równania różniczkowe zwyczajne podstawy teoretyczne. P. F. Góra

ELEKTROTECHNIKA Semestr 2 Rok akad / ZADANIA Z MATEMATYKI Zestaw Oblicz pochodne cząstkowe rzędu drugiego funkcji:

Metody numeryczne rozwiązywania równań różniczkowych

Całki krzywoliniowe skierowane

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE. Marta Zelmańska

Analiza Matematyczna część 5

Równania różniczkowe

1. Równanie różniczkowe pierwszego rzędu

Równania różniczkowe

Szeregi funkcyjne. Szeregi potęgowe i trygonometryczne. Katedra Matematyki Wydział Informatyki Politechnika Białostocka

Wstęp do równań różniczkowych

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 3

Równania różniczkowe cząstkowe drugiego rzędu

ROZWIĄZANIA I ODPOWIEDZI

Tydzień nr 9-10 (16 maja - 29 maja), Równania różniczkowe, wartości własne, funkcja wykładnicza od operatora - Matematyka II 2010/2011L

Komputerowa analiza zagadnień różniczkowych 2. O tym, co można rozwiazać analitycznie. P. F. Góra

CAŁKI NIEOZNACZONE C R}.

11 Równania różniczkowe cząstkowe. Równania różniczkowe cząstkowe pierwszego rzędu.

Równania różniczkowe. Lista nr 2. Literatura: N.M. Matwiejew, Metody całkowania równań różniczkowych zwyczajnych.

Równania różniczkowe zwyczajne

Komputerowa analiza zagadnień różniczkowych 10. Dwupunktowe problemy brzegowe (BVP, Boundary Value Problems)

Egzamin podstawowy (wersja przykładowa), 2014

Aby przygotować się do kolokwiów oraz do egzaminów należy ponownie przeanalizować zadania

Równania różniczkowe zwyczajne analityczne metody rozwiazywania

1 Funkcje dwóch zmiennych podstawowe pojęcia

Wykład z równań różnicowych

Wykład 10: Całka nieoznaczona

2 Równania różniczkowe zwyczajne o rozdzielonych zmiennych

Matematyka Lista 1 1. Matematyka. Lista Obliczyć lub uprościć zapis (zapisać jako potęgę):

WYDZIAŁ INFORMATYKI I ZARZĄDZANIA, studia niestacjonarne ANALIZA MATEMATYCZNA1, lista zadań 1

Równanie przewodnictwa cieplnego (I)

x y = 2z. + 2y, z 2y df

Rozwiązywanie zależności rekurencyjnych metodą równania charakterystycznego

jest rozwiązaniem równania jednorodnego oraz dla pewnego to jest toŝsamościowo równe zeru.

Przykładowe zadania na egzamin z matematyki - dr Anita Tlałka - 1

Wstęp do równań różniczkowych

RÓŻNICZKOWANIE FUNKCJI WIELU ZMIENNYCH: rachunek pochodnych dla funkcji wektorowych. Pochodne cząstkowe funkcji rzeczywistej wielu zmiennych

Wykład 5. Informatyka Stosowana. 6 listopada Informatyka Stosowana Wykład 5 6 listopada / 28

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE

Analiza Matematyczna MAEW101

Całka nieoznaczona wykład 7 ( ) Motywacja

Temat wykładu: Równania różniczkowe. Anna Rajfura, Matematyka na kierunku Biologia w SGGW 1

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 4

Matematyka licea ogólnokształcące, technika

Wykład VI. Badanie przebiegu funkcji. 2. A - przedział otwarty, f D 2 (A) 3. Ekstrema lokalne: 4. Punkty przegięcia. Uwaga!

Analiza matematyczna 2 zadania z odpowiedziami

Wykład Matematyka A, I rok, egzamin ustny w sem. letnim r. ak. 2002/2003. Każdy zdający losuje jedno pytanie teoretyczne i jedno praktyczne.

Matematyka II. Bezpieczeństwo jądrowe i ochrona radiologiczna Semestr letni 2018/2019 wykład 13 (27 maja)

Lokalna odwracalność odwzorowań, odwzorowania uwikłane

Rachunek różniczkowy i całkowy w przestrzeniach R n

PIERWSZEGO. METODA CZYNNIKA CAŁKUJĄCEGO. METODA ROZDZIELONYCH ZMIENNYCH.

Funkcje Andrzej Musielak 1. Funkcje

IX. Rachunek różniczkowy funkcji wielu zmiennych. 1. Funkcja dwóch i trzech zmiennych - pojęcia podstawowe. - funkcja dwóch zmiennych,

ANALIZA MATEMATYCZNA

Funkcje charakterystyczne zmiennych losowych, linie regresji 1-go i 2-go rodzaju

Transkrypt:

Równania różniczkowe Równania różniczkowe zwyczajne rzędun,n 2 Małgorzata Wyrwas Katedra Matematyki Wydział Informatyki Politechnika Białostocka Równania różniczkowe str. 1/38

Równania różniczkowe zwyczajne II-ego rzędu Równaniem różniczkowym zwyczajnym rzędu drugiego nazywamy równanie postaci F(x,y,y,y )=0, (1) w którym niewiadomą jest funkcjay=y(x) i w którym występuje pochodna pierwszego i drugiego rzędu tej funkcji, tzn.y = dy dx,y = d2 y dx 2. Równania różniczkowe str. 2/38

Rozwiazanie lub całka równania różniczkowego różniczkowego drugiego Rozwiazaniem lub całka równania różniczkowego F(x,y,y,y )=0 w przedziale(a,b) nazywamy każdą funkcje zmiennejxwyrażoną w postaci jawnej lub w postaci uwikłanej y=y(x) h(x,y)=0, która ma pochodne do rzędunwłącznie i spełnia równanie F(x,y,y,y )=0 dlax (a,b). Równania różniczkowe str. 3/38

Rozwiazaniem ogólnym lub całka ogólna równaniaf(x,y,y,y )=0 w obszarze istnienia i jednoznaczności rozwiązań nazywamy rozwiązanie równaniaf(x,y,y,y )=0 zależne od dwóch dowolnych stałychc 1,C 2 wyrażone w postaci jawnej lub w postaci uwikłanej y=y(x,c 1,C 2 ) h(x,y,c 1,C 2 )=0, i takie, że podstawiajac dowolne wartości zac 1,C 2 otrzymamy wszystkie znajdujące się w tym obszarze krzywe całkowe i tylko te krzywe. Równania różniczkowe str. 4/38

Podstawiając zac 1,C 2 konkretne wartości otrzymamy tzw. lub równaniaf(x,y,y,y )=0. całkę szczególna rozwiazanie szczególne Równania różniczkowe str. 5/38

Zagadnienie Cauchy ego (zagadnienie poczatkowe) Zagadnienie Cauchy ego dla równaniaf(x,y,y,y )=0polega na znalezieniu całki szczególnej tego równania, spełniającej warunki poczatkowe: (W) y(x 0 )=y 0, y (x 0 )=y 1 gdzie wartość poczatkowax 0 (a,b), zaś wartości poczatkowey 0 iy 1 są dowolnymi z góry wybranymi liczbami. Równania różniczkowe str. 6/38

Równania sprowadzalne do równań różniczkowych rzędu pierwszego Równanie postacif(x,y,y )=0 sprowadzamy do równania różniczkowego rzędu pierwszego przez podstawienie y =u Wówczas y =u i otrzymujemy równanie różniczkowe rzędu pierwszego postaci: F(x,u,u )=0. Równania różniczkowe str. 7/38

Równania sprowadzalne do równań różniczkowych rzędu pierwszego Równanie postacif(y,y,y )=0 sprowadzamy do równania różniczkowego rzędu pierwszego przez podstawienie Wówczas y =v(y) y = dy dx =dv dx =dv dy dy dx =v y =v v i otrzymujemy równanie różniczkowe rzędu pierwszego postaci: F(y,v,v v)=0. Równania różniczkowe str. 8/38

Przykład Rozważmy równaniey ( x 2 +1 ) =2xy. Stosując podstawienieu=y, otrzymujemy u ( x 2 +1 ) =2xu du u = 2x x 2 +1 dx du u = 2x x 2 +1 dx ln u =ln ( x 2 +1 ) +ln C 1 u=c 1 (x 2 +1 ). Równania różniczkowe str. 9/38

Przykłady ( x 2 +1 ) =2xy (c.d.) Ponieważu=y, więc otrzymujemy y =C 1 ( x 2 +1 ) ( 1 y=c 1 3 x3 +x Rozważmy zagadnienie Cauchy ego ) +C 2. y (x 2 +1)=2xy, y(0)=1,y (0)=3, WówczasC 2 =1 ic 1 =3. Zatem rozwiązaniem danego zagadnienia Cauchy ego jest całka y=x 3 +3x+1. Równania różniczkowe str. 10/38

Przykład Rozważmy równaniey y =(y ) 2. Stosując podstawieniey =v(y) y =v v, otrzymujemy yv v=v 2 v = v y dv v =dy y dv v = dy y ln v =ln y +ln C 1 v=c 1 y. Równania różniczkowe str. 11/38

Przykłady y =(y ) 2 (c.d.) Ponieważv=y, więc otrzymujemy y =C 1 y dy y =C 1 dx ln y =C 1 x+ln C 2 y=c 2 e C 1x. Równania różniczkowe str. 12/38

Równania różniczkowe liniowe wyższych rzędów Równaniem różniczkowym liniowym rzędunnazywamy równanie postaci: y (n) +a 1 (x)y (n 1) +...+a n 1 (x)y +a n (x)y=f(x), (2) gdziea 1,a 2,...,a n if są danymi funkcjami ciągłymi na(a,b). Jeślif 0, to równanie (2) nazywamy jednorodnym i oznaczamy RJ. Jeślif 0, to to równanie (2) nazywamy niejednorodnym i oznaczamy RN Równania różniczkowe str. 13/38

Układ fundamentalny całek (rozwiazań) Rozwiązaniay 1,y 2,...,y n są liniowo niezależne na przedziale(a,b) dla każdegox (a,b) spełniony jest warunek y 1 (x) y 2 (x)... y n (x) y 1(x) y 2(x)... y n(x)...... y (n 1) 1 (x) y (n 1) 2 (x)... y n (n 1) (x) 0 (3) Wyznacznik występujący w (3) nazywamy wyznacznikiem Wrońskiego (lub wrońskianem) i ozn. symbolemw[y 1,y 2,...,y n ](x). Definicja: Układem fundamentalnym całek (rozwiazań) nazywamy układnliniowo niezależnych rozwiązań. Równania różniczkowe str. 14/38

Całka ogólna (rozwiazanie ogólne) równania liniowego jednorodnego RJ y (n) +a 1 (x)y (n 1) +...+a n 1 (x)y +a n (x)y=0 Niech całkiy 1,y 2,...,y n będą fundamentalnym układem rozwiązań równania RJ y (n) +a 1 (x)y (n 1) +...+a n 1 (x)y +a n (x)y=0, wówczas całka ogólna równania RJ jest kombinacją liniową tych rozwiązań, tzn. y=c 1 y 1 +C 2 y 2 +...+C n y n, Równania różniczkowe str. 15/38

Całka ogólna (rozwiazanie ogólne) równania liniowego niejednorodnego RN y (n) +a 1 (x)y (n 1) +...+a n 1 (x)y +a n (x)y=f(x) Twierdzenie. Niech y 1, y 2,...,y n liniowo niezależne rozwiązania równania RJ na przedziale(a, b) R y s całka szczególna RN. Wtedy całka ogólna równania różniczkowego liniowego niejednorodnego ma postać y=c 1 y 1 +C 2 y 2 +...+C n y n +y s, czyli CORN = CORJ + CSRN. Równania różniczkowe str. 16/38

Równania różniczkowe liniowe rzędu drugiego Równaniem różniczkowym liniowym rzędu drugiego o stałych współczynnikach nazywamy równanie postaci: y +py +qy=f(x), (4) gdziep,q R zaśf jest daną funkcją ciągłą na(a,b). Jeślif 0, to równanie (6) nazywamy jednorodnym i oznaczamy RJ. Jeślif 0, to to równanie (6) nazywamy niejednorodnym i oznaczamy RN. Równania różniczkowe str. 17/38

Rozwiazanie równania liniowego II-ego rzędu o stałych współczynnikach Aby wyznaczyć rozwiązanie RN y +py +qy=f(x), szukamy najpierw rozwiązań odpowiadającego mu RJ: RJ y +py +qy=0 Rozwiązania RJ poszukujemy w postaci wykładniczej: y=e rx Równania różniczkowe str. 18/38

Rozwiazanie równania różniczkowego liniowego y +py +qy=0 Wtedy y=e rx y =re rx y =r 2 e rx i podstawiając funkcjęy do RJ otrzymujemy równanie r 2 +pr+q=0 zwane równaniem charakterystycznym. Równania różniczkowe str. 19/38

Rozwiazanie równania różniczkowego liniowego y +py +qy=0 Wyznaczamy pierwiastki równania charakterystycznego r 2 +pr+q=0 ( ) Pierwiastkom tym odpowiadają funkcje, które tworzą układ fundamentalny całek (rozwiązań). Pierwiastki ( ) Całki szczególne RJ Całka ogólna RJ >0 r 1 r 2 y 1 =e r1x,y 2 =e r 2x y=c 1 e r1x +C 2 e r 2x =0 r 0 y 1 =e r0x,y 2 =xe r 0x y=c 1 e r0x +C 2 xe r 0x <0 r 1,2 =α±βi y 1 =e αx sinβx y=c 1 e αx sinβx+c 2 e αx cosβx y 2 =e αx cosβx Równania różniczkowe str. 20/38

Równania różniczkowe liniowe y +py +qy=f(x),p,q R Metoda współczynników nieoznaczonych (metoda przewidywania) polega na odgadnięciu CSRN, gdy dana jest CORJ, i wtedy na podstawie twierdzenia: CORN = CORJ + CSRN. Metodę stosujemy, gdy równanie różniczkowe jest równaniem o stałych współczynnikach (p,q R) f(x)= wielomian stopnian asinωx+bcosωx ae λx, lubf(x) jest sumą lub iloczynem powyższych funkcji. Równania różniczkowe str. 21/38

Metoda współczynników nieoznaczonych (metoda przewidywania) Przewidywanie postaci całki szczególnejy s (x) równania RN y +py +qy=f(x),, p,q R Niechλ+ωi (λ,ω R) będziek-krotnym pierwiastkiem równania charakterystycznegor 2 +pr+q=0. Wówczas Postaćf(x) Postać przewidywanay s (x) P n (x)=a n x n +...+a 1 x+a 0 x k (A n x n +...+A 1 x+a 0 ) a e λx Ax k e λx P n (x) e λx x k (A n x n +...+A 0 )e λx acosωx+bsinωx x k (Acosωx+Bsinωx) P n (x)cosωx+q m (x)sinωx, nm x k W n (x)cosωx+x k M n (x)sinωx P n (x)e λx cosωx+q m (x)e λx sinωx, nm x k W n (x)e λx cosωx+x k M n (x)e λx sinωx gdziew n (x)=a n x n +...+A 0 im n (x)=b n x n +...+B 0 Równania różniczkowe str. 22/38

Przykłady y 5 y +6y=x 2 +8 Równania różniczkowe str. 23/38

Przykłady y 5 y +6y=x 2 +8 = y s (x)=ax 2 +Bx+C Równania różniczkowe str. 23/38

Przykłady y 5 y +6y=x 2 +8 = y s (x)=ax 2 +Bx+C y 5 y +6y=x e x Równania różniczkowe str. 23/38

Przykłady y 5 y +6y=x 2 +8 = y s (x)=ax 2 +Bx+C y 5 y +6y=x e x = y s (x)=(ax+b) e x Równania różniczkowe str. 23/38

Przykłady y 5 y +6y=x 2 +8 = y s (x)=ax 2 +Bx+C y 5 y +6y=x e x = y s (x)=(ax+b) e x y 5 y +6y=x e 3x Równania różniczkowe str. 23/38

Przykłady y 5 y +6y=x 2 +8 = y s (x)=ax 2 +Bx+C y 5 y +6y=x e x = y s (x)=(ax+b) e x y 5 y +6y=x e 3x = y s (x)=x (Ax+B) e 3x Równania różniczkowe str. 23/38

Przykłady y 5 y +6y=x 2 +8 = y s (x)=ax 2 +Bx+C y 5 y +6y=x e x = y s (x)=(ax+b) e x y 5 y +6y=x e 3x = y s (x)=x (Ax+B) e 3x y 4 y +4y=x e x Równania różniczkowe str. 23/38

Przykłady y 5 y +6y=x 2 +8 = y s (x)=ax 2 +Bx+C y 5 y +6y=x e x = y s (x)=(ax+b) e x y 5 y +6y=x e 3x = y s (x)=x (Ax+B) e 3x y 4 y +4y=x e x = y s (x)=(ax+b) e x Równania różniczkowe str. 23/38

Przykłady y 5 y +6y=x 2 +8 = y s (x)=ax 2 +Bx+C y 5 y +6y=x e x = y s (x)=(ax+b) e x y 5 y +6y=x e 3x = y s (x)=x (Ax+B) e 3x y 4 y +4y=x e x = y s (x)=(ax+b) e x y 4 y +4y=x e 2x Równania różniczkowe str. 23/38

Przykłady y 5 y +6y=x 2 +8 = y s (x)=ax 2 +Bx+C y 5 y +6y=x e x = y s (x)=(ax+b) e x y 5 y +6y=x e 3x = y s (x)=x (Ax+B) e 3x y 4 y +4y=x e x = y s (x)=(ax+b) e x y 4 y +4y=x e 2x y s (x)=x 2 (Ax+B) e 2x Równania różniczkowe str. 23/38

Przykłady y 5 y +6y=x 2 +8 = y s (x)=ax 2 +Bx+C y 5 y +6y=x e x = y s (x)=(ax+b) e x y 5 y +6y=x e 3x = y s (x)=x (Ax+B) e 3x y 4 y +4y=x e x = y s (x)=(ax+b) e x y 4 y +4y=x e 2x y s (x)=x 2 (Ax+B) e 2x y +9y=sin3x Równania różniczkowe str. 23/38

Przykłady y 5 y +6y=x 2 +8 = y s (x)=ax 2 +Bx+C y 5 y +6y=x e x = y s (x)=(ax+b) e x y 5 y +6y=x e 3x = y s (x)=x (Ax+B) e 3x y 4 y +4y=x e x = y s (x)=(ax+b) e x y 4 y +4y=x e 2x y s (x)=x 2 (Ax+B) e 2x y +9y=sin3x = y s (x)=axsin3x+bxcos3x Równania różniczkowe str. 23/38

Metoda uzmienniania stałych Jeżeli funkcjey 1 (x),y 2 (x) tworzą układ fundamentalny równania RJ y +py +qy=0,p,q R, to całka ogólna równania RN y +py +qy=f(x),p,q R, ma postać y(x)=c 1 (x)y 1 (x)+c 2 (x)y 2 (x), gdziec 1 (x),c 2 (x) jest dowolnym rozwiązaniem układu y 1(x) y 2 (x) y 1 (x) y 2 (x) C 1(x) C 2 (x) = 0 f(x). (5) Równania różniczkowe str. 24/38

Przykład Rozważmy równaniey y= 8 e 2x +1. Równanie jednorodney y=0 ma następujące równanie charakterystyczner 2 1=0, którego pierwiastkami sąr 1 =1 ir 2 = 1. Zatem CORJ ma postać y=c 1 e x +C 2 e x, CORN znajdziemy metodą uzmienniania stałych, tzn. y=c 1 (x)e x +C 2 (x)e x, Równania różniczkowe str. 25/38

Przykład y y= 8 e 2x +1 (RN) (c.d.) W celu wyznaczenia funkcjic 1 (x),c 2 (x) rozwiązujemy układ: C 1(x)= 4e x e 2x +1 C 2(x)= 4ex e 2x +1 Wtedy e x C 1(x)+e x C 2(x)=0 e x C 1(x) e x C 2(x)= 8 e 2x +1 C 1 (x)= 4e x 4arctge x + C 1 C 2 (x)= 4arctge x + C 2 y(x)= C 1 e x + C 2 e x 4 4e x arctge x 4e x arctge x. Równania różniczkowe str. 26/38

Równania różniczkowe liniowe wyższych rzędów Równaniem różniczkowym liniowym rzędun o stałych współczynnikach nazywamy równanie postaci: y (n) +a 1 y (n 1) +...+a n 1 y +a n y=f(x), (6) gdziea 1,...,a n R zaśf jest daną funkcją ciągłą na przedziale (a,b). Równania różniczkowe str. 27/38

Rozwiazanie równania różniczkowego liniowegon-tego rzędu o stałych współczynnikach Aby wyznaczyć rozwiązanie RN y (n) +a 1 y (n 1) +...+a n 1 y +a n y=f(x), szukamy najpierw rozwiązań odpowiadającego mu: RJ y (n) +a 1 y (n 1) +...+a n 1 y +a n y=0 Rozwiązania RJ poszukujemy w postaci wykładniczej: y=e rx Równania różniczkowe str. 28/38

Rozwiazanie równania różniczkowego liniowego y (n) +a 1 y (n 1) +...+a n 1 y +a n y=0 Wtedy y=e rx y =re rx. y (n) =r n e rx i podstawiając funkcjęy do RJ otrzymujemy równanie r n +a 1 r n 1 +...+a n 1 r+a n =0 zwane równaniem charakterystycznym. Równania różniczkowe str. 29/38

Rozwiazanie równania różniczkowego liniowego y (n) +a 1 y (n 1) +...+a n 1 y +a n y=0 Wyznaczamy pierwiastki równania charakterystycznego r n +a 1 r n 1 +...+a n 1 r+a n =0 ( ) Pierwiastkom tym odpowiadają funkcje, które tworzą układ fundamentalny całek (rozwiązań). Rozkład lewej strony równania ( ) na czynniki postaci : Rozwiązania szczególne równania jednorodnego RJ r a (r a) k,(k>1) p 2 4q<0 r 2 +pr+q y 1 =e ax y 1 =e ax,y 2 =xe ax,...y k =x k 1 e ax y 1 =e αx cosβx,y 2 =e αx sinβx (r 2 +pr+q) k,(k>1) y 1 =e αx cosβx,y 3 =xe αx cosβx,...,y 2k 1 =x k 1 e αx cosβx α= 1 2 p,β= 1 4q p 2 2 y 2 =e αx sinβx,y 4 =xe αx sinβx,...,y 2k =x k 1 e αx sinβx Rozwiązanie ogólne RJ: y=c 1 y 1 +C 2 y 2 +...C n y n Równania różniczkowe str. 30/38

Równania różniczkowe liniowe y (n) +a 1 y (n 1) +...+a n 1 y +a n y=f(x),a i R Metoda współczynników nieoznaczonych (metoda przewidywania) polega na odgadnięciu CSRN, gdy dana jest CORJ, i wtedy na podstawie twierdzenia: Metodę stosujemy, gdy CORN = CORJ + CSRN. równanie różniczkowe jest równaniem o stałych współczynnikach (a i R,i=1,2,...,n) f(x)= wielomian stopnian asinωx+bcosωx ae λx, lubf(x) jest sumą lub iloczynem powyższych funkcji. Równania różniczkowe str. 31/38

Metoda współczynników nieoznaczonych (metoda przewidywania) Przewidywanie postaci całki szczególnejy s (x) równania RN y (n) +a 1 y (n 1) +...+a n 1 y +a n y=f(x), gdziea i R,i=1,...,n Niechλ+ωi,λ,ω R, będziek-krotnym pierwiastkiem równania charakterystycznego r n +a 1 r n 1 +...+a n 1 r+a n =0. Wówczas Postaćf(x) Postać przewidywanay s (x) P n (x)=p n x n +...+p 1 x+p 0 x k (A n x n +...+A 1 x+a 0 ) a e λx Ax k e λx P n (x) e λx x k (A n x n +...+A 0 )e λx acosωx+bsinωx x k (Acosωx+Bsinωx) P n (x)cosωx+q m (x)sinωx, nm x k W n (x)cosωx+x k M n (x)sinωx (x)e λx cosωx+q m (x)e λx sinωx, nm x k W n (x)e λx cosωx+x k M n (x)e λx sinωx gdziew n (x)=a n x n +...+A 0 im n (x)=b n x n +...+B 0 Równania różniczkowe str. 32/38

Przykłady y y =x 2 +8 Równania różniczkowe str. 33/38

Przykłady y y =x 2 +8 = y s (x)=x 2 (Ax 2 +Bx+C) Równania różniczkowe str. 33/38

Przykłady y y =x 2 +8 = y s (x)=x 2 (Ax 2 +Bx+C) y (6) 9 y (4) =x e x Równania różniczkowe str. 33/38

Przykłady y y =x 2 +8 = y s (x)=x 2 (Ax 2 +Bx+C) y (6) 9 y (4) =x e x = y s (x)=(ax+b) e x Równania różniczkowe str. 33/38

Przykłady y y =x 2 +8 = y s (x)=x 2 (Ax 2 +Bx+C) y (6) 9 y (4) =x e x = y s (x)=(ax+b) e x y +y=x e 3x Równania różniczkowe str. 33/38

Przykłady y y =x 2 +8 = y s (x)=x 2 (Ax 2 +Bx+C) y (6) 9 y (4) =x e x = y s (x)=(ax+b) e x y +y=x e 3x = y s (x)=(ax+b) e 3x Równania różniczkowe str. 33/38

Przykłady y y =x 2 +8 = y s (x)=x 2 (Ax 2 +Bx+C) y (6) 9 y (4) =x e x = y s (x)=(ax+b) e x y +y=x e 3x = y s (x)=(ax+b) e 3x y +y=x e x Równania różniczkowe str. 33/38

Przykłady y y =x 2 +8 = y s (x)=x 2 (Ax 2 +Bx+C) y (6) 9 y (4) =x e x = y s (x)=(ax+b) e x y +y=x e 3x = y s (x)=(ax+b) e 3x y +y=x e x = y s (x)=x(ax+b) e x Równania różniczkowe str. 33/38

Przykłady y y =x 2 +8 = y s (x)=x 2 (Ax 2 +Bx+C) y (6) 9 y (4) =x e x = y s (x)=(ax+b) e x y +y=x e 3x = y s (x)=(ax+b) e 3x y +y=x e x = y s (x)=x(ax+b) e x y 6y +6y 8y=xe 2x Równania różniczkowe str. 33/38

Przykłady y y =x 2 +8 = y s (x)=x 2 (Ax 2 +Bx+C) y (6) 9 y (4) =x e x = y s (x)=(ax+b) e x y +y=x e 3x = y s (x)=(ax+b) e 3x y +y=x e x = y s (x)=x(ax+b) e x y 6y +6y 8y=xe 2x y s (x)=x 3 (Ax+B)e 2x Równania różniczkowe str. 33/38

Przykłady y y =x 2 +8 = y s (x)=x 2 (Ax 2 +Bx+C) y (6) 9 y (4) =x e x = y s (x)=(ax+b) e x y +y=x e 3x = y s (x)=(ax+b) e 3x y +y=x e x = y s (x)=x(ax+b) e x y 6y +6y 8y=xe 2x y s (x)=x 3 (Ax+B)e 2x y (4) +18y +81y=cos3x Równania różniczkowe str. 33/38

Przykłady y y =x 2 +8 = y s (x)=x 2 (Ax 2 +Bx+C) y (6) 9 y (4) =x e x = y s (x)=(ax+b) e x y +y=x e 3x = y s (x)=(ax+b) e 3x y +y=x e x = y s (x)=x(ax+b) e x y 6y +6y 8y=xe 2x y s (x)=x 3 (Ax+B)e 2x y (4) +18y +81y=cos3x y s (x)=ax 2 sin3x+bx 2 cos3x Równania różniczkowe str. 33/38

Metoda uzmienniania stałych Jeżeli funkcjey 1 (x),y 2 (x),...y n (x) tworzą układ fundamentalny równania RJ y (n) +a 1 y (n 1) +...+a n 1 y +a n y=0,a i R, to całka ogólna równania RN y (n) +a 1 y (n 1) +...+a n 1 y +a n y=f(x),a i R, ma postać y(x)=c 1 (x)y 1 (x)+c 2 (x)y 2 (x)+...+c n (x)y n (x), Równania różniczkowe str. 34/38

Metoda uzmienniania stałych CORN y(x)=c 1 (x)y 1 (x)+c 2 (x)y 2 (x)+...+c n (x)y n (x), gdziec 1 (x),c 2 (x),...,c n (x) jest dowolnym rozwiązaniem układu y 1 (x) y 2 (x)... y n (x) y 1(x) y 2(x)... y n(x)...... y (n 1) 1 (x) y (n 1) 2 (x)... y (n 1) n (x) C 1(x) C 2(x). C n(x) = 0 0. f(x). Równania różniczkowe str. 35/38

Przykład Rozważmy równaniey +y = sinx cos 2 x. Równanie jednorodney +y =0 ma następujące równanie charakterystyczner 3 +r=0, którego pierwiastkami sąr 1 =0 ir 2,3 =±i. Zatem CORJ ma postać y=c 1 +C 2 cosx+c 3 sinx, CORN znajdziemy metodą uzmienniania stałych, tzn. y=c 1 (x)+c 2 (x)cosx+c 3 (x)sinx, Równania różniczkowe str. 36/38

Przykład y +y = sinx cos 2 x (RN) (c.d.) W celu wyznaczenia funkcjic 1 (x),c 2 (x),c 3 (x) rozwiązujemy układ: C 1(x)+cosxC 2(x)+sinxC 3(x)=0 sinxc 2(x)+cosxC 3(x)=0 cosxc 2(x) sinxc 3(x)= sinx cos 2 x C 1(x)= sinx C cos 2 1 (x)= 1 x cosx + C 1 C 2(x)= tgx C 2 (x)=ln cosx + C 2. C 3(x)= tg 2 x C 3 (x)= tgx+x+ C 2 Wtedy y(x)= C 1 + C 2 cosx+ C 3 sinx+ + 1 cosx +cosxln cosx sinxtgx+xsinx Równania różniczkowe str. 37/38

Podsumowanie Równania różniczkowe zwyczajne rzędu drugiego sprowadzalne do równań rzędu pierwszego. Równania różniczkowe wyższych rzędów i ich rozwiązania. Równania liniowe rzędun 2ostałych współczynnikach i ich rozwiązania. Metoda współczynników nieoznaczonych (metoda przewidywania) rozwiązywania równań liniowych o stałych współczynnikach. Metoda uzmienniania stałych rozwiązywania równań liniowych o stałych współczynnikach. Równania różniczkowe str. 38/38